DE20312292U1 - Strömungsmaschine mit Magnetkupplungsantrieb - Google Patents

Description

KSB Aktiengesellschaft

Strömungsmaschine mit Magnetkupplungsantrieb

Beschreibung

Die Neuerung betrifft eine Strömungsmaschine mit Ma^netkupplungsantrieb, wobei ein elektrischer Antriebsmotor über eine Magnetkupplung «sin Drehmoment auf eine Welle der Strömungsmaschine, insbesondere eine Kreiselpumpe, überträgt und die Kupplung mit axialen Rotoren in Form eines einen Innenrotor umgebenden Außenrotor versehen ist.

Eine gattungsgemäße Strömungsmaschine ist beispielsweise durch die DE 101 16 868 A1 bekannt. Solche Magnetkupplungsteile sind mit Permanentmagneten ausgestattet und stellen eine Synchronkupplung dar, bei der die Rotaren der beiden Kupplungsteile mit identischer Drehzahl umlaufen. Ein Haltemoment einer solchen Kupplung ist abhängig vom Kippmoment eines am sogenannten starren Netz betriebenen, antreibenden Asynchronmotors, um bei einem Einschalt- und Hochla jfvorgang eines Motors einen synchronen Betrieb der Magnetkupplung gewährleisten zu können. Damit ist eine solche Kupplung, bezogen auf einen stationären Pumpenbetrieb, erheblich überdimensioniert. Weiter haben diese Magnetkupplungen den Nach:eil, bei eventuellen Laststößen auszukuppeln. Bei einem Abriss der Magnetwirkung tre :en in den Kupplungsbauteilen hohe Wirbelströme auf, die zu deren thermischen Zerstörung führen können. Und für ein erneutes Einkuppeln ist der Antriebsmotor herunterzufahren, um ein Einkuppeln der Kupplungsbauteile zu ermöglichen.

Durch die DE 197 01 993 A1 ist es für Kühlmittelpumpen von Kraftfahrzeugen bekannt, über einen Riementrieb und eine Hysteresekupplung ein Flügelrad anzutreiben. Dazu finden zwei Kupplungsscheiben Verwendung, wobei die eine Kupplungsscheibe als Magnetscheibe ausgebildet ist und die andere Kupplungsscheibe als Kupferscheibe ausgebildet sowie mit Hysteresematerial versehen ist. Diese Lösung hat zwar gegenüber den üblichen Magnetkupplungen den Vorteil, dass die Übertragungsfähigkeit bei Überschreiten eines maximalen Drehmomentes nicht abreißt und deshalb ein Stillsetzen des Antriebes zum Einkuppeln nicht mehr erforderlich ist. Deren Nachteil ist jedoch der hohe Kostenaufwand zur Befestigung der teuren Permanentmagnete hoher Leistungsdichte am Rotor, die aufwendige Rotorlagerung und das Risiko des Anstreifens des Rotors an einem Spalttopf aufgrund der am Flügelrad mit einem großen Hebelarm angreifenden Kräften. Und da ein Kraftfahrzeugmotor mit ständig wechselnden Drehzahlen betrieben wird, ist eine solche Pumpe überdimensioniert und nicht auf einen sparsamen Betriebspunkt ausgelegt.

Die Auslegung einer Pumpenanlage, bei der ein Antrieb mit starren Drehzahlen erfolgt, geschieht in allgemeinen auf der Basis einer maximal zu erwartenden Fördermenge bei gleichzeitig ungünstigsten Anlagenverhältnissen. Durch einen solchen in der Anlagentechnik häufigen Projektierungsansatz ergibt sich im allgemeinen eine Überdimensionierung einer solchen Strömungsmaschine und damit auch des zugehörigen Antriebes.

Der Neuerung liegt daher das Problem zu Grunde, für Strömungsmaschinen eine wenig aufwendige Möglichkeit zu finden, die bei der Auslegung eine Überdimensionierung der Komponenten vermeiden hilft und eine einfache, sichere sowie kostengünstige Drehmomentübertragung zwischen Antriebsmotor und Strömungsmaschine gewährleistet.

Die Lösung dieses Problem sieht die Anordnung einer Hysteresekupplung zwischen einem Antriebsmotor in Form eines Drehstrom-Asynchronmotor und der Strömungsmaschine vor. Durch die Verwendung einer Hysteresekupplung ergibt sich eine wesentli-

ehe Reduzierung der Kupplungsdimensionen, da eine solche Hysteresekupplung nicht mehr auf das Kippmoment eines Asynchronmotors ausgelegt sein muss. Stattdessen wird sie nur noch auf das Betriebsmoment der anzutreibenden Strömungsmaschine, nach einer Ausgestaltung vorzugsweise eine Kreiselpumpe, ausgelegt. Infolge des in einem Kupplungsteil verwendeten Hysteresematerials wird das wesentlich teurere Permanentmagnetmaterial eingespart. Und da das Hysteresematerial laufend ummagnetisiert werden kann, ist eine solche Kupplung wesentlich betriebssicher.

Bei einem Anfahr- oder Hochlaufvorgang läuft die Hysteresekupplung problemlos im Asynchronbetrieb, um sich dann selbstständig auf den Synchronbetrieb einzustellen. Und sollte es während es Betriebes zu plötzlichen Lastspitzen kommen, dann reisst dadurch die Kupplungswirkung der Hysteresekupplung nicht ab. Sie geht stattdessen in einen temporären, asynchronen Betriebszustand über. Somit übt sie gleichzeitig eine stoßdämpfende Wirkung im Antriebsstrang aus. Die während eines solchen schlupfbehafteten Betriebszustand auftretenden Wirbelströme sind vernachlässigbar und gefährden nicht mehr die ganze Kupplung. Ursächlich dafür ist die Fähigkeit zum Ummagnetisieren des Hysteresematerials.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Ausgestaltung als verstellbare Hysteresekupplung. Zur Anpassung einer nach den üblichen Kriterien ausgelegten Kreiselpumpe an die jeweiligen Betriebsverhältnisse wird einfach die Einstellung der Hysteresekupplung verändert. Deren Rotoren werden dabei gegeneinander axial so verstellt, dass ihre axiale Überdeckung die Übertragung des notwendigen Drehmomentes gewährleistet. Dies kann bei einer Montage im Werk oder am Aufstellort erfolgen. Anhand vorgegebener Einstelldaten erfolgt eine solche Einstellung im Stillstand. Bei eventuell später notwendigen Änderungen muss eine gewählte Einstellung der Rotoren nur geändert werden, um die Fördermenge der Kreiselpumpe an die jeweilige Betriebssituation anzupassen. Dies kann von außen in einfachster Weise erfolgen. Das dadurch veränderte Kupplungsmoment sorgt zusammen mit einer quadratischen Pumpenkennlinie für eine Absenkung oder Anhebung der Pumpendrehzahl, wobei die Differenzleistung zwischen

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Motorabgabeleistung und Pumpenaufnahmeleistung in der Hysteresekupplung in Wärme umgesetzt wird. Da hier aber nur ein kleiner Drehzahlstellbereich benötigt wird, sind diese systembedingten Verluste akzeptierbar. Der Gesamtwirkungsgrad lässt sich zusätzlich verbessern, wenn als Antriebsmotor ein Drehstrom-Asynchronmotor mit verbessertem Wirkungsgrad verwendet wird.

Nach einer Ausgestaltung der Neuerung ist mindestens einer der ineinander angeordneten Rotoren der Hysteresekupplung als axial verstellbarer Rotor ausgebildet ist. Innerhalb der Hysteresekupplung sind die ineinander angeordneten Rotoren, auch als Außenrotor und Innenrotor bezeichnet, als axial zueinander verstellbare Bauteile ausgebildet. Die Hysteresekupplung wird während des Betriebes vom Motor mit praktisch konstanter Drehzahl angetrieben, wobei die Rotoren der Hysteresekupplung, die nach Art ineinander geschobener Zylinder gestaltet sind, das notwendige Drehmoment mit Hilfe von Permanentmagneten und Hysteresematerial auf die Welle der Kreiselpumpe oder Strömungsmaschine übertragen. Durch einfache Zuordnung der axialen Lage der Rotoren zueinander wird die Größe des zu übertragenden Drehmomentes in einfachster Weise bestimmt. In Abhängigkeit von der axialen Rotorüberdeckung wird das jeweils notwendige Drehmoment, damit die an der Pumpe sich einstellende Drehzahl und damit der jeweilige Pumpenbetriebspunkt in einfachster und genauer Weise eingestellt. Diese Maßnahme gewährleistet einen kostensparenden Pumpenbetrieb im jeweils gewünschten Anlagebetriebspunkt. Ein sich durch die Verstellung innerhalb der Hysteresekupplung eventuell einstellender Schlupf ist vernachlässigbar im Vergleich zu den Einsparungen an Betriebskosten aufgrund eines Betriebes im genauen Anlagebetriebspunkt.

Zusätzlich ergibt sich der Vorteil der leichteren Auswahl einer Pumpe aus einer Pumpenbaureihe. In einem Pumpenkatalog sind die verschiedenen Pumpengrößen mit ihren jeweiligen Pumpenkennlinien zu einem Kennfeld zusammengefasst. In einzelnen Fällen, bei denen für einen zu bedienenden Anwendungsfall eine Pumpe gerade in einem Grenzbereich zwischen zwei Pumpenkennlinien zuliegen kommt, erfolgt mit Hilfe der

Hysteresekupplung in einfachster Weise eine Anpassung an die notwendige Leistungsübertragung.

Und ein weiterer Vorteil der Verwendung der Hysteresekupplung besteht in der Dimensionierung auf das Nenndrehmoment einer Pumpe. Denn bei einem asynchronen Hochlaufen des Drehstrommotors arbeitet die Hysteresekupplung ebenfalls asynchron. Sie muss daher nicht wie übliche Magnetkupplungen auf das größere Kippdrehmoment des Drehstrommotors ausgelegt werden. Dadurch ergibt sich eine kostensparende Verkleinerung der gesamten Kupplung bei gleichzeitig verbesserter Übertragungsqualität.

Weiter stellt die Hysteresekupplung einen Überlastschutz dar, so dass eine dadurch angetriebene Kreiselpumpe oder Strömungsmaschine von der Motorseite her nicht überlastet werden kann. Sie stellt damit gegenüber herkömmlichen Magnetkupplungen eine deutlich verbesserte Antriebslösung dar, da gleiche Leistungen bei kleinerer Baugröße zuverlässiger übertragen werden. Und das mit dem zusätzlichen Vorteil einer Einstellbarkeit hinsichtlich der zu übertragenden Leistungen. Trotzdem bleiben bei der verstellbare Hysteresekupplung alle Vorteile einer Magnetkupplung erhalten. Dies ist die berührungslose Verbindung zwischen Pumpe und Motor, ein einfacher Motortausch und die Integration eines Spalttopfes, womit ein Fördermedium zuverlässig von der Atmosphäre getrennt wird. Weiterhin die Einstellung einer gewünschten Pumpendrehzahl und damit der exakten Fördermenge.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt eine Strömungsmaschine in Form eines Kreiselpumpenaggregates. Es besteht aus einer Kreiselpumpe 1 die unter Zwischenschaltung einer Hysteresekupplung 2 von einem elektrischen Antriebsmotor 3 angetrieben wird. Die Hysteresekupplung 2 ist innerhalb eines Kupplungsgehäuses 4 angeordnet, welches an einem Gehäusedeckel 5 dichtend befestigt ist. Das Kupplungsgehäuse 4 ist so ausgebildet,

dass es gleichzeitig einen Spalttopf 6 am Gehäusedeckel 5 dichtend anpresst. Im Gehäusedeckel 5 ist eine Lagerung 7 für eine Welle 8 angeordnet. Auf der einen Seite der Welle 8 ist innerhalb der Kreiselpumpe 1 ein Laufrad 1.1 befestigt und auf der anderen Seite der Welle 8 ist ein Rotor 9 der Hysteresekupplung 2 angeordnet.

Die hier gezeigte Kreiselpumpe ist für die Förderung chemischer Flüssigkeiten ausgebildet, weshalb alle flüssigkeitsberührten Oberflächen der Kreiselpumpe 1, des Laufrades 1.1, des Gehäusedeckels 5 und des Spalttopfes 6 mit einem entsprechenden Schutzüberzug 14 versehen sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein äußerer Rotor 10 der Hysteresekupplung axial verschiebbar auf einem Wellenstumpf 11 des Antriebsmotors 3 befestigt. Die Axialverschiebung erfolgt in diesem Beispiel durch ein Verstellmittel 12, mit dessen Hilfe in axialer Richtung eine einstellbare Positionierung zwischen Außenrotor 10 und einem Innenrotor 9 bewirkt wird. Selbstverständlich sind auch noch andere Verstellmöglichkeiten gebräuchlich, die eine Einstellung ohne Demontage der Hysteresekupplung 2 erlauben. Dazu können im Kupplungsgehäuse 4 oder im Flanschgehäuse 13, welches Antriebsmotor 3 und Kupplungsgehäuse 4 verbindet, entsprechende Zugangsöffnungen angeordnet sein, um eine leichte Einstellmöglichkeit für den Außenrotor 10 zu erhalten. Bei einer Ausführungsform ohne Spaltrohr kann in analoger Weise auch eine Verstellung am Innenrotor 9 erfolgen.

Die Hysteresekupplung 2 ist derart ausgeführt, dass auf der Außenseite des inneren Kupplungsteiles, dem Innenrotor 9, Seltenerdmagnete 15 angeordnet sind. Diese bauen ein magnetisches Luftspaltfeld zwischen Innen- und Außenrotor 9, 10 auf, wobei auf der Innenseite des äußeren Kupplungsteiles, dem Außenrotor 10, ein Magnetwerkstoff 16 mit ausgeprägter Hystereseeigenschaft angeordnet ist. Damit die Temperaturabhängigkeit der Hysteresekupplung gering ist, sind vorzugsweise die Werkstoffe Sm2Co17 oder AINiCo zu verwenden.

Eine solche Hysteresekupplung 2 ist lediglich auf das jeweilige Nenndrehmoment der Kreiselpumpe 1 dimensioniert, da die Hysteresekupplung 2 beim Asynchron-Hochlauf des als Drehstrommotors ausgebildeten Motors 2 ebenfalls asynchron arbeitet. Es ist daher nicht erforderlich, wie bei den bisher üblichen Magnetkupplungen, die Hysteresekupplung auf das wesentlich höhere Kippdrehmoment eines Asynchron-Drehstrommotors auszulegen. Zusätzlich hat die Hysteresekupplung 2 den Vorteil eines Überlastschutzes, da die Kreiselpumpe 1 von der Motorseite her nicht überlastet werden kann. Mit Hilfe des axialen Verstellmittel 12 der Hysteresekupplung 2 erfolgt die Einstellung der Überdeckung zwischen Innenrotor 9 und Außenrotor 10. Mit dem gezeigten Stellbereich entlang der Verbindung zwischen Außenrotor 10 und Motorwelle 11 erfolgt eine einfache Anpassung an die jeweiligen Betriebsverhältnisse.

Claims (6)

1. Strömungsmaschine mit Magnetkupplungsantrieb, wobei ein elektrischer Antriebsmotor über eine Magnetkupplung ein Drehmoment auf eine Welle der Strömungsmaschine, insbesondere eine Kreiselpumpe, überträgt und die Kupplung mit axialen Rotoren in Form eines einen Innenrotor umgebenden Außenrotor versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Antriebsmotor (2) in Form eines Drehstrom-Asynchronmotor und einer Strömungsmaschine (1) eine Hysteresekupplung (2) angeordnet ist.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine als Kreiselpumpe (1) ausgebildet ist.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hysteresekupplung (2) verstellbar ausgebildet ist.

4. Strömungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der ineinander angeordneten Rotoren (9, 10) der Hysteresekupplung (2) als axial verstellbarer Rotor (10) ausgebildet ist.

5. Strömungsmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstellmittel (12) in axialer Richtung eine einstellbare Positionierung zwischen Außenrotor (10) und Innenrotor (9) bewirkt.

6. Strömungsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rotoren (9, 10) ein Spalttopf (6) angeordnet ist.